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案例分析
建设科技
CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY
2021年4月上总第427期
“3060”目标是中国第一次在全球正式场合提出的碳中和计划时间表，同时也是为我国能源革命设定的总体时间表[1]。这意味着，包括光伏、风电等在内的新能源在未来电力系统的比重将逐步增加。山西太阳能资源丰富，全年光照时间在3000小时以上，光照百
碳中和背景下农村光储直柔系统建设分析
农村取暖方式——以山西省芮城县东夭村为例
陈文波1 郝斌2
（1.南京国臣直流配电科技有限公司，南京211100；2.深圳市建筑科学研究院股份有限公司，深圳，518
049）
[摘要]在碳达峰、碳中和“3060目标”背景下，新能源在未来电力系统的比重将逐步增加。随之而来的电网调度、电能质量等一系列问题却不容忽视，如何实现新能源的高效消纳将成为未来电力领域的一个重要议题。本文以山西省芮城县东夭村“光储直柔”系统建设为例，介绍了光储直柔技术和实践应用效果，分析了农村地区实施“光储直柔”系统建设的经济和社会效益，并对商业模式进行了初步探讨。[关键词]碳中和；农村能源；光储直柔
Analysis of Rural PEDF System toward Carbon Neutral
——Case study of Dongyao Village, Ruicheng County, Shanxi Province
Chen Wenbo 1 , Hao Bin 2
(1. Nanjing Golden Coorperate DC Power Distribution Technology Co., Ltd, Nanjing, 211100; 2. Shenzhen Institute of
Building Research Co. Ltd. ,Shenzhen 518049)
Abstract : In the context of Carbon Peak and Carbon Neutral “3060 target”, the proportion of renewa
ble energy in the future utility system will dramatically increase. However, a series of issues such as grid dispatching and power quality cannot be ignored. How to realize the clean, low-carbon and efficient consumption of renewable energy will become an important topic in the future power field. The PEDF system, which integrates solar PV , Energy storage, Direct current and Flexibility, is adopted in Dongyao Village, Ruicheng County, Shanxi Province. Both PEDF technology and demonstration project are introduced, as well as social/economic benefits and business model are also discussed. Keywords : Carbon Neutral, rural energy, PEDF
分率可以达到50%-60%，是国内太阳能高值区，光伏消纳环境好，拥有发展光伏的良好自然条件。此外，乡村拥有海量的屋顶资源，而乡村电网的容量利用率普遍偏低，为安装分布式光伏提供了很好的空间条件和电网网架条件。
DOI: 10.16116/jki.jskj.2021.07.016
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析
而由于光伏等分布式能源的直流属性，以及直流配电网在供电容量、电能质量、线路损耗、新能源与直流负载适配等方面突出的优势[2-3]，采用低压直流配电对光伏发电将产生显著的促进作用。本课题拟在农村应用场景下，从当地能源现状、光储直柔系统及其技术成熟度、社会经济效益等方面进行分析，探讨农村地区实施“光储直柔”系统建设的可行性、优势以及商业模式。
1 东夭村用能情况分析
1.1 东夭村用能特点
和许多北方农村一样，山西省芮城县东夭村生活用能以“煤或生物质燃烧 +电”为主，农业生产、交通出行用能以柴油汽油为主，少量用电。据初步统计，东夭村目前年消耗煤炭约3700吨、液化天然气4.5吨、电能650万度（当前已完成煤改电150户）、薪柴90吨、秸秆900吨、汽油150吨、柴油90吨。
近两年来，在“清洁采暖”和大气污染治理政策的推行下，已在东夭村推行“煤改电”政策，预计未来用电量将呈显著上升趋势。但当前“煤改电”政策推行也出现一定问题，目前村民反映采暖季电费较高，因此也出现了少量返煤情况。因而对于村民而言，采用“自发电”解决电费贵问题有其必然需求。
1.2 “光储直柔”系统可行性
东夭村可再生能源以太阳能资源为主，芮城地处山西南部，属于光伏资源III类地区，光伏年利用1500小时左右。如图1所示，村内屋顶资源丰富，安装分布式光伏的基础条件较好，加上房屋周围的荒地资源，约有320万平米可开发利用。这为“光储直柔”系统建设奠定了良好的基础。
图1 村内建筑屋顶（部分已完成光伏板安装）
Fig. 1 The building roof in the village (some photovoltaic
panels have been installed)
“光储直柔”系统运行过程中，可通过分布式蓄电和需求侧响应的用电模式，缓解光伏发电和用电负荷时间上的矛盾，通过发展电动农机装备，实现“煤改电”，“油改电”，既可以减少散煤、燃油带来的环境污染，实现农村用能清洁化，还可以减少农村用能的经济负担，充电型家用汽车、电动摩托、以及各种农机具还可与光伏电池互动，消纳光伏发电高峰期的电力。
2 “光储直柔”系统建设
2.1 系统介绍
“光储直柔”中的“光”，即分布式光伏。“储”即储能，通过分布式蓄电和需求侧响应的用电模式，缓解光
伏发电和用电负荷时间上的矛盾；“直”即直流配电系统，实现光伏发电“直”发“直”用，大大减少“逆变上网”“整流用电”环节，从而减少传输损耗，提高发电用电能效；“柔”，一方面是电器设备自身具备柔性调节的能力，就是根据母线电压的波动动态调整输出功率；另一方面是通过光伏、储能以及负荷三者的动态匹配实现与电网的友好对接。每户家庭都是一个独立自治的微电网，一定数量的家庭形成一个低压直流配电系统，电能首先优先内部流动，不足或多余部分，通过集中并网点与交流网交互，始终保持新能源的最大化就地利用。在东夭村实施分布式光伏为基础的光储直柔系统，网络拓扑如图2所示。
图2 农村“光储直柔”系统示意
Fig. 2 Schematic diagram of rural PEDF
2.2 关键技术
2.2.1电力变换
系统的主要电力转换装置为“直来电”，“直来电”通过柔性电力电子变换技术可实现光伏、储能以及低压直流电网的接入，并根据系统电压情况以及负荷用电情况灵活协调各自功率，为输出端直流负荷供电。直来电的系统结构图和外形图如图3（a）和3（b）所示[4]。
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总第427期
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案例分析
（a ）“直来电”电气功能图 （b ）“直来电”外形图
图3 “直来电”电气功能图及外形图
Fig. 3 Electrical function diagram and outline drawing of
DC distribution unit
2.2.2系统保护
作为直接面向用户的新型电力系统，“光储直柔”低压直流系统在安全性方面进行了系统结构和保护配置
方面的设计。农村“光储直柔”低压直流系统推荐采用结构简单、方便控制的放射状结构，并采用IT 接地方式，从而实现便捷的故障识别保护以及本质上的安全性能提升[5]。此外，系统中还配置了以下的保护设备：
（1）直流微型断路器。直流微型断路器采用特殊的灭弧、限流系统，可以迅速分断直流配电系统的故障电流，保护直流配电系统中的重要器件；
（2）剩余电流保护执行装置。该装置具有对剩余电流电流检测和判断的功能，可实现动作跳闸或发出漏电报警信号。装置在配置过程中无需应用剩余电流传感器，在克服剩余电流传感器仅能检测不能执行保护动作的同时，降低了系统配置的复杂度和成本；
（3）低压直流主动安全监控装置。该装置用于“光储直柔”低压直流系统的安全监控，具有系统电压和系统绝缘状况的主动监测与安全控制功能，保证系统配电回路保护装置在发生电缆漏电、设备漏电以及人身触电事故时，能够可靠驱动跳闸或者发出跳闸信号。
2.2.3监控与运营
“光储直柔”低压直流配电系统中各分布式电源与负荷之间实现交互的前提是首先获取各个要素的运行状态，因而设计了监控系统平台实现对系统各要素状态的实时监测，包括储能电池组状态、“直来电”状态
以及交流并网环节状态等；在此基础上实现系统调度、各发电单元监控、负荷监控等功能。“光储直柔”监控平台界面如图4所示。监控平台可实时显示“光储直柔”系统以及系统中各要素当前的运行状态，并具备系统调度、状态指示、数据采集记录、运行趋势图绘制等功能。
图4 “光储直柔”监控系统界面
Fig. 4 Monitoring system interface of PEDF
系统运营方面，基于底层的硬件布置，在应用层开发交易结算及管理系统软件，网络层数据统一接入交易结算系统，进行分析计算及交易结算。并通过软件后台实现发电量、用电量及相应的收益和消费信息显示。用户还可以通过软件获取系统当前的运行状态信息，如图
5所示。系统后期还将完善全周期电费结算功能并支持与其它系统的数据集成、数据交换及业务衔接。
图5 系统交易结算软件界面
Fig. 5 Software interfac of system transaction settlement e
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2.2.4直流负荷
直流负荷是“光储直柔”系统在推广过程中所必须面临和解决的问题。与当前多数人认为绝大部分电器均为交流供电的主观观点不同，目前我们所使用的绝大多数电器在内部都进行了交流向直流的转换，本质上采用直流供电[6]。这为后续直流电器的设计和推广做出了良好的铺垫，在本项目中，工程人员完成了对常规负荷的直流化设计和改造，并针对直流负荷易产生操作电弧的问题进行了技术研究，利用主动式灭弧方法实现了直流负荷的无弧开断。目前“光储直柔”农户使用的直流家电包含电饭煲、电磁炉、照明、空调、石墨烯取暖、电视机等。
3 社会经济效益评估
3.1 经济效益
以东夭村为例，从农户层面而言，“光储直柔”系统户均装机容量5kW，按装机1000户计算，总装机容量5MW。东夭村的光伏年利用小时数约为1500小时，则整个“光储直柔”系统年发电量750万度电，可通过“自发自用，余电上网”的模式，优先使用光伏发电。预计为农民减少电费支出或增加售电收入，约
300万元/年。从政府和电网层面而言，系统的建成可减少政府煤改电补贴以及电网的农网改造费用。以减少1000户的补贴规模为例，每户减少补贴4500元，总计可减少补贴约450万；以农网改造中每户的改造成本2万元计算，此项可降低支出总计2000万元以上，此外，系统的建成还可以为电网每年创造购电售电收益。
未来，随着农村电气化程度和用电量的提高，还可以很方便地对“光储直柔”系统进行扩展，提高系统的发电、储能和供用电能力。
3.2 社会效益
短期来看，系统推广后在产业形成的基础上会为本地带来新增利税以及一定的就业人口。放眼未来，在政策引导和完善的市场机制下，可以在全国范围内逐步推广“光储直柔”系统，通过能源系统的去中心化策略，构建局部能源网络以及清洁能源发电系统，形成“农村供给城镇”的全新生产消费模式，用户可根据自身用电需求进行系统容量的设计。
在商业模式上，系统采用“自发自用，余电上网”模式，满足一定量的负荷工作需求，有效提高清洁能源利用率，实现绿节能低碳目标；在后续的大规模推广过程中将逐步明确政府、电网公司、设备商以及投资者的功能角，并通过技术手段推动资产确权，探索电力领域碳排放指标交易、隔墙售电及价格机制等，最终使清洁能源资产流通起来。
4 结语
本文通过低压直流供用电技术，进行“光储直柔”系统设计开发，并结合山西本地情况开展低压直流负荷的率先示范应用，建立了国内首个基于乡村的“光储直柔”分布式发电低压直流系统，通过“自发自用，余电上网”的方式减少了传统煤炭资源的使用以及常规大规模交流并网产生的弃风弃光以及电能质量问题，为能源革命和碳达峰、碳中和“3060目标”的实现提供了农村电力系统方案。
综上，对于“光储直柔”分布式发电低压直流系统而言，技术部分已无障碍，但在后续的大范围推广过程中，仍然需要做好相应的配套工作。建设和运营主体及模式的确定、相关的补贴和电价政策制定以及相应的标准和规范等，都需要从政府、电网、设计建设单位、用户等角度进行进一步的完善。此外，负荷的直流化也是一个需要通过产业进行推动聚集的问题。这些问题还需要整个行业集体推动解决。
参考文献
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[6]秦文军，陈文波，房建军，等.低压直流配电在建筑中的应用研究[J].建筑节能,2020,48(07):108-112.
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